La Radiación de Fondo Cósmico 3K

La Radiación de Fondo 3K

En todas las direcciones del espacio, se observa una radiación de fondo uniforme, que está en la región de microondas del espectro. Muestra la dependencia del radiador de "cuerpo negro" a una temperatura de 3 Kelvins, de la longitud de onda. Se considera que es el remanente de la radiación emitida en el momento en que la expansión del universo, se volvió transparente a una temperatura de unos 3000K. El descubrimiento de la radiación de fondo de microondas de 3K, fué uno de los pasos cruciales que condujo al cálculo del modelo de Cosmología estándar del "Big Bang", y su papel en preveer las poblaciones relativas de partículas y fotones estimadas. Investigaciones recientes utilizando el espectrofotómetro absoluto de infrarrojos lejano (FIRAS), a bordo del satélite COBE, han dado una temperatura de 2,725 +/- 0,002 K. Los experimentos anteriores habían demostrado alguna anisotropía de la radiación de fondo, debida al movimiento del sistema solar, pero COBE recogió datos, mostrando fluctuaciones en el fondo cósmico. En la Cosmología del Big Bang, son necesarias algunas fluctuaciones en el fondo cósmico, que proporcionen suficiente no-uniformidad, para dar lugar a la formación de las galaxias. La aparente uniformidad de la radiación de fondo, es la base del "problema de formación de galaxia" en la Cosmología del Big Bang. La más reciente misión WMAP, dió una imagen de resolución mucho mayor de las anisotropías en la radiación de fondo cósmico.

El dato de cifra redonda de 10⁹ fotones por partícula nuclear, es la "conclusión cuantitativa más importante que se desprende de las mediciones de la radiación de fondo de microondas ..." (Weinberg p66-70). Esto permitió llegar a la conclusión de que las galaxias y las estrellas, no podrían haber empezado a formarse hasta que la temperatura cayó por debajo de 3000K. A continuación, se podrían formar los átomos y eliminar la opacidad de la expansión del universo, la luz pudo salir y aliviar la presión de radiación. La formación de estrellas y galaxias no pudo ocurrir, hasta que la atracción gravitacional pudo superar la presión de radiación hacia el exterior, y a 10⁹ fotones/bariones, se necesitaría una "masa de Jean" crítica de un millón de veces la de una gran galaxía. Con la formación de átomos y un universo transparente, la masa de Jeans cayó a unos 10^-6 la masa de una galaxia, permitiendo el agrupamiento gravitacional.

Papel de los 3K en Cosmología

El fondo cósmico 3K proporciona la evidencia fundamental para los modelos cosmológicos. El fondo 3K implica aproximadamente 5,5 x 10⁵ fotones/litro. Esto está basado en la densidad de energía de radiación y la energía media por fotón a esta temperatura. La densidad de bariones estimadas, tiene un rango que va del doble de la densidad crítica a 6 x 10^-3/litro, al estimado extremo inferior de una galaxia visible, 3 x 10^-5/litro. Esto da un rango que va de 1 x 10⁸, a 2 x 10¹⁰ fotones/bariones. Esto está estimado por el número de fotones por bariones, que fué crucial en los cálculos del big bang. En la modelación de la nucleosíntesis en el big bang, incluyendo la proporción de hidrógeno/helio, la población relativa de bariones y fotones, está de acuerdo con las observaciones.

Cuando se rastrean y examinan las cantidades de D, ³He, y ⁷Li, y forman parte del modelo del big bang, el ratio de bariones a fotones queda mas fuertemente limitado. El Particle Data Group da una proporción de bariones/fotones η entre

Como la conservación del número de bariones es un principio de conservación fuerte, se infiere que el ratio de fotones a bariones es constante a través del proceso de expansión. Ningún proceso conocido en la naturaleza, cambia el número de bariones.

Anisotropía del Fondo 3K

En la radiación de fondo cósmico de microondas, existe una anisotropía de unos 0,1%, que se atribuye al desplazamiento Doppler originado por el movimiento del sistema solar através de la radiación. El Particle Data Group informa que la asimetría tiene mayormente una naturaleza dipolar, con una magnitud de 1,23 x 10^-3. Este valor se utiliza para calcular la velocidad de aproximadamente 600 m/s para la Tierra, en comparación con un observador que se mantuviera en línea con la expansión general.

Fluctuaciones en el Fondo 3K

El Satélite COBE

El Satélite Explorador de Fondo Cósmico de la NASA (COBE), fué lanzado para explorar la radiación de fondo cósmico de microondas. Los puntos de datos, se muestran superpuestos sobre la curva de un teórico cuerpo negro.

El ajuste con la fórmula de la radiación de Planck es tan preciso, que proporciona una poderosa confirmación de la idea de que es un remanente de la expansión del big bang.

Esta datación fué adaptada de Mather, J. C., et al., Astro. Jour. 354, L37 (1990).

Los datos de COBE han sido tan precisos, que se ha descubierto fluctuaciones en esa radiación, que son importantes para los cálculos cosmológicos del big bang. COBE porta tres instrumentos principales, un Radiómetro de Microondas Diferencial, un Espectrofotómetro Absoluto de Infrarrojos Lejanos (enfriado a 1,6K por helio líquido), y el Experimentador de Fondo Infrarrojo Difuso, también a 1,6K. El instrumento infrarrojo medirá espectros infrarrojos de fondo, que se supone que son uniformes, pero cualquier variación inesperada, podría indicar la presencia de fuentes de energía que podría haber impulsado turbulencias para desencadenar la formación de galaxias. La sensibilidad de los instrumentos de infrarrojos es 100 veces mayor que el que se consigue desde la superficie de la Tierra. El Experimentador de Fondo de Infrarrojos, mirará distantes galaxias primordiales y otros objetos celestes que se formaron después del Big Bang.

John C. Mather de la NASA Goddard Spaceflight Center y George F. Smoot del Lawrence Berkeley National Laboratory, fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2006, por el trabajo asociado con el satélite COBE.

El panorama se ha aclarado aún mas por la misión WMAP reciente, que proporcionó una imagen de mayor resolución de las fluctuaciones de temperatura.